張立峰 張曉光

中國(guó)民航大學(xué)航空工程學(xué)院,天津,300300

0 引言

碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(carbon fiber reinforced plastic,CFRP)是一種以碳纖維為增強(qiáng)體、以樹(shù)脂為基體的新型輕質(zhì)材料,具有比強(qiáng)度高、比模量高、抗疲勞、耐腐蝕、熱穩(wěn)定性好和可設(shè)計(jì)性強(qiáng)等優(yōu)異性能,廣泛用于航空航天、海洋工程、國(guó)防軍工等領(lǐng)域[1-4]。微觀結(jié)構(gòu)的不均質(zhì)性和力學(xué)性能的各向異性使得CFRP成為典型的難加工材料[5],加工過(guò)程中常出現(xiàn)的毛刺、分層和凹坑等缺陷嚴(yán)重影響CFRP組件的裝配精度和使用壽命,限制了CFRP的工程應(yīng)用[6-9]。因此,如何實(shí)現(xiàn)CFRP的高質(zhì)、高效和綠色加工是目前的研究熱點(diǎn)。

張立峰等[10]對(duì)碳纖維復(fù)合材料的磨削加工性能進(jìn)行了研究。銑削是CFRP的主要加工方式。近年來(lái),為優(yōu)化CFRP銑削工藝,改善CFRP加工質(zhì)量,國(guó)內(nèi)外學(xué)者從加工參數(shù)、刀具結(jié)構(gòu)、冷卻潤(rùn)滑方式等方面進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)研究。武衛(wèi)洲等[11]研究了刀具刃口半徑對(duì)材料去除過(guò)程的影響,發(fā)現(xiàn)隨著刃口半徑的增大,纖維的主要失效形式從剪切失效變?yōu)閺澢?較小的刃口半徑有助于減小撕裂損傷的深度。CAI等[12]對(duì)典型纖維切削角下的加工表面形貌進(jìn)行表征,分析了不同纖維取向下的表面損傷形式。BI等[13]分析了多齒銑刀切削CFRP時(shí)的刀具磨損以及刀具磨損對(duì)材料加工性能的影響,發(fā)現(xiàn)較低進(jìn)給速率下的刀具磨損嚴(yán)重。ZOU等[14]開(kāi)展了低溫條件下CFRP加工性能的研究,討論了不同切削參數(shù)下的冷卻方式對(duì)CFRP銑削性能的影響,發(fā)現(xiàn)纖維切削角對(duì)材料去除機(jī)理有顯著影響;低溫切削,特別是植物油基低溫微量潤(rùn)滑(cooling minimum quantity lubrication,CMQL)有助于改善加工表面質(zhì)量。

為從細(xì)觀尺度揭示CFRP的去除機(jī)理,改善其切削性能,一些學(xué)者致力于CFRP銑削過(guò)程的理論建模和數(shù)值仿真研究。LIU等[15]建立了CFRP銑削的材料損傷失效演化模型,發(fā)現(xiàn)纖維切削角對(duì)銑削過(guò)程有顯著影響,纖維切削角從0°逐漸變?yōu)?80°時(shí),材料的失效形式從初始的界面分離逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榧羟袛嗔?最后的失效形式以彎曲斷裂為主。SONG等[16]通過(guò)理論分析闡明了CFRP干式銑削過(guò)程中表面粗糙度的形成機(jī)制,建立了表面粗糙度的預(yù)測(cè)模型,并認(rèn)為碳纖維的分布是影響表面粗糙度的主要因素。鄭華林等[17]建立了CFRP多次走刀的銑削有限元模型,分析了纖維切削角對(duì)切削力和亞表面損傷的影響。SHEIKH-AHMAD等[18]考慮刀具前角和切削刃半徑的影響,提出了一種預(yù)測(cè)復(fù)雜幾何形狀刀具切削力的解析模型。

綜上所述,現(xiàn)有的研究集中在常規(guī)切削條件下CFRP切削特性的實(shí)驗(yàn)表征及數(shù)值模擬,對(duì)銑削方式(順銑、逆銑),特別是綠色加工條件下的CFRP加工性能的研究較少。為此,筆者采用納米流體微量潤(rùn)滑(nanofluid minimum quantity lubrication,NMQL)工藝,針對(duì)單向CFRP復(fù)合材料,使用PCD玉米銑刀對(duì)特殊設(shè)計(jì)的正十二邊形試樣進(jìn)行高速側(cè)銑實(shí)驗(yàn)。通過(guò)多種冷卻潤(rùn)滑條件下的對(duì)比實(shí)驗(yàn),深入分析纖維切削角度、冷卻潤(rùn)滑條件、高速切削、銑削方式對(duì)切削力、表面質(zhì)量和切削溫度的影響規(guī)律,并對(duì)典型纖維切削角下的加工表面進(jìn)行SEM表征。建立了典型切削角下的材料去除模型,揭示了CFRP高速切削的材料去除和表面創(chuàng)成機(jī)理。

1 實(shí)驗(yàn)材料及方案

1.1 工件材料

為滿足航空工程所需的多方向力學(xué)性能,使役中的CFRP結(jié)構(gòu)件通常包含復(fù)雜的纖維編織結(jié)構(gòu)。為揭示纖維切削角對(duì)CFRP加工的影響機(jī)制,闡明材料去除機(jī)理,有必要將復(fù)雜的纖維編織結(jié)構(gòu)解耦。單向CFRP避免了纖維編織結(jié)構(gòu)復(fù)雜的界面和纖維方向問(wèn)題,是研究各向異性材料機(jī)械加工性能較為理想的實(shí)驗(yàn)材料。本文選用的工件材料為碳纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料單向?qū)雍习?北京航空材料研究院)。增強(qiáng)相纖維采用T300-3K級(jí)碳纖維(東麗公司),基體相為雙馬來(lái)酰亞胺樹(shù)脂。碳纖維的力學(xué)性能參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 碳纖維的力學(xué)性能參數(shù)

1.2 試驗(yàn)方案

在MAKINO-V77型數(shù)控加工中心上開(kāi)展試驗(yàn),圖1所示為CFRP高速側(cè)銑試驗(yàn)平臺(tái)。試驗(yàn)中,使用三向切削測(cè)力儀(Kistler 9257B)測(cè)量加工過(guò)程中的切削力信號(hào)。切削力信號(hào)經(jīng)電荷放大器放大后,由數(shù)據(jù)采集卡傳送給切削測(cè)力軟件(Kistler-DynoWare)。板狀試樣通過(guò)夾具水平固定在測(cè)力儀上,測(cè)力儀底面通過(guò)螺栓固定在機(jī)床工作臺(tái)上,試驗(yàn)所用刀具為PCD玉米銑刀。

圖1 CFRP高速銑削實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

為研究纖維取向?qū)FRP加工性能的影響,傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)通常制備多個(gè)纖維角度的切削樣件,樣品制備和實(shí)驗(yàn)過(guò)程繁雜,且測(cè)試過(guò)程中的反復(fù)定位、裝夾和對(duì)刀會(huì)導(dǎo)致隨機(jī)誤差,嚴(yán)重影響測(cè)試精度。本文提出一種針對(duì)各向異性材料變角度切削測(cè)試的方法,即采用正多邊形試樣,通過(guò)一次裝夾和單次走刀完成多個(gè)纖維切削角的銑削試驗(yàn)。該方法實(shí)現(xiàn)了測(cè)試樣件的整合,提高了測(cè)試精度,簡(jiǎn)化了試驗(yàn)過(guò)程。圖2為正十二邊形試樣側(cè)銑試驗(yàn)的示意圖,定義刀具進(jìn)給方向與纖維方向的夾角(順時(shí)針)為纖維切削角θ。

圖2 正十二邊形試樣側(cè)銑試驗(yàn)示意圖

試驗(yàn)前,先將單向CFRP復(fù)合材料板切割成50 mm×50 mm×7 mm的板狀試樣,然后將試樣通過(guò)夾具水平固定在測(cè)力儀上,并將試樣加工成正十二邊形(內(nèi)切圓直徑為35 mm)。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中,銑刀先以較小的切削寬度沿此試樣切削一周。通過(guò)UG編譯每條切削路徑的走刀軌跡和切削參數(shù),生成CNC代碼程序。銑刀以圓弧式進(jìn)退刀的方式沿試樣的各個(gè)側(cè)面依次完成不同纖維切削角度的側(cè)銑試驗(yàn),使用測(cè)力儀采集全部切削路徑下的切削力信息。

圓形試樣的纖維切削角度急劇變化,無(wú)法獲得指定纖維切削角度下的穩(wěn)定切削力信號(hào)和完整加工表面信息。本文提出的正多邊形試樣切削方法中,各個(gè)纖維切削角度的切削力信號(hào)具有清晰的邊界,特定纖維切削角下的切削路徑較長(zhǎng)且平穩(wěn)。正十二邊形試樣通過(guò)一次走刀可以完成典型纖維切削角度(0°、30°、…、150°)的穩(wěn)定切削力測(cè)量,而且可以充分保留各纖維切削角度下的加工表面信息,便于表面質(zhì)量的精確分析。正多邊形每個(gè)側(cè)面的切削路徑均可設(shè)置獨(dú)立的加工參數(shù)(切削速度、進(jìn)給量、切削深度、順銑、逆銑),由此進(jìn)行快速、準(zhǔn)確的切削性能測(cè)試分析。本方法還可通過(guò)改變正多邊形的邊數(shù),實(shí)現(xiàn)不同細(xì)分角度增量的切削測(cè)試。

表2所示為高速銑削試驗(yàn)參數(shù)。在立式加工中心上采用單因素試驗(yàn)方法對(duì)比研究纖維切削角度、切削速度、銑削方式(順銑、逆銑)和冷卻潤(rùn)滑條件對(duì)CFRP高速銑削性能的影響。其中,冷卻潤(rùn)滑條件包括干切削、澆注式切削(切削乳化液)、微量潤(rùn)滑(minimal quantity lubrication,MQL)和納米流體微量潤(rùn)滑(NMQL)。微量潤(rùn)滑切削液的基礎(chǔ)油為蓖麻油,納米材料為MoS2納米顆粒。所有參數(shù)下的試驗(yàn)均重復(fù)3次,對(duì)3次試驗(yàn)數(shù)據(jù)取平均值進(jìn)行試驗(yàn)結(jié)果分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 切削力信號(hào)分析

切削力是銑削加工的重要研究對(duì)象,其大小和波動(dòng)會(huì)對(duì)刀具的磨損及加工質(zhì)量產(chǎn)生重大影響。側(cè)銑過(guò)程中,刀具在Z向(豎直方向)沒(méi)有進(jìn)給,因此測(cè)力儀在Z向測(cè)得的切削力可忽略不計(jì)。圖3所示為正十二邊形試樣側(cè)銑的典型切削力信號(hào)。為準(zhǔn)確獲取X向、Y向的切削力,需對(duì)原始切削力信號(hào)進(jìn)行濾波處理。

圖3 銑削正十二邊形試樣典型的切削力信號(hào)圖

刀具的法向切削力Fn和切向切削力Ft可通過(guò)計(jì)算得到。根據(jù)力的矢量分解原理可得

Ft=|Fysinθ-Fxcosθ|

(1)

Fn=|Fycosθ+Fxsinθ|

(2)

式中,Fx為測(cè)力儀在X方向測(cè)得的切削力;Fy為測(cè)力儀在Y方向測(cè)得的切削力;θ為纖維切削角。

2.2 微量潤(rùn)滑變角度高速銑削CFRP的切削力

切削力是產(chǎn)生各種加工損傷的根源,闡明纖維切削角、銑削方式、切削速度和冷卻潤(rùn)滑條件對(duì)單向CFRP高速銑削過(guò)程中切削力的影響,對(duì)揭示CFRP的去除機(jī)理、探明材料去除機(jī)理有重要意義。

2.2.1纖維切削角對(duì)切削力的影響

圖4所示為纖維切削角對(duì)CFRP銑削過(guò)程(fz=0.03 mm,ae=1.5 mm,vc=300 m/min)中切削力的影響規(guī)律。由圖4可知,纖維切削角對(duì)CFRP銑削力具有顯著影響。刀具的法向切削力Fn和切向切削力Ft隨纖維切削角變化時(shí),由大到小的切削力對(duì)應(yīng)的切削角依次為60°、90°、30°、0°、150°、120°,且Fn明顯大于Ft。相較于順纖維切削(0°≤θ≤90°),逆纖維切削(90°<θ≤180°)的切削力較小。試驗(yàn)結(jié)果還顯示,相較于順銑,逆銑的Fn和Ft均減小,其中,Fn最大減小25%,Ft最大減小40%,可見(jiàn),對(duì)于CFRP的高速切削,采用逆銑工藝可以減小切削力。

圖4 纖維切削角對(duì)切削力的影響

2.2.2切削速度對(duì)切削力的影響

切削過(guò)程中的主切削力(Ft)對(duì)刀具磨損和切削溫度具有重大影響。圖5是切削速度對(duì)CFRP銑削過(guò)程中切向切削力Ft的影響圖。由圖5可知,主切削力隨切削速度的增加先增大后減小,切削力在切削速度為200 m/min時(shí)達(dá)到最大值。金剛石刀具高速切削CFRP可在提高加工效率的同時(shí)減小切削力。這是因?yàn)楦咚偾邢鲿r(shí),纖維的應(yīng)變率增大,CFRP更容易被去除。切削力不僅能反映加工過(guò)程中的切削狀態(tài),還能反映潤(rùn)滑狀態(tài)。相對(duì)于干切削,澆注式冷卻、MQL和NMQL條件下的切削力都減小,其中,MQL切削可使Ft減小約15%,NMQL可使Ft減小約20%。這說(shuō)明CFRP高速切削時(shí),切削液在切削界面起到了良好潤(rùn)滑作用。盡管傳統(tǒng)的澆注式冷卻可以有效減小切削力,但這種方法成本高且對(duì)環(huán)境不友好。MQL雖可以減小CFRP銑削過(guò)程中的切削力,但其效果不如澆注式冷卻。添加MoS2納米粒子后,微量潤(rùn)滑的切削力顯著減小,可見(jiàn),相對(duì)于澆注式冷卻,采用NMQL不僅可以降低切削液用量,而且可以明顯改善切削界面的潤(rùn)滑效果,有效減小主切削力。

圖5 切削速度對(duì)切削力的影響

2.3 微量潤(rùn)滑變角度高速銑削CFRP的表面質(zhì)量

CFRP構(gòu)件的工作性能及使用壽命在很大程度上取決于零件的表面質(zhì)量。表面粗糙度和表面形貌是表面質(zhì)量的重要表征。為揭示CFRP的高速切削性能,研究了銑削方式、纖維取向和不同切削冷卻條件對(duì)單向CFRP表面粗糙度的影響,并對(duì)比分析了不同纖維切削角下的加工表面形貌。

2.3.1表面粗糙度

表面粗糙度是加工表面質(zhì)量的重要評(píng)價(jià)指標(biāo)。工件表面的面粗糙度Sa可以準(zhǔn)確、全面評(píng)價(jià)工件的表面質(zhì)量。圖6所示為不同冷卻潤(rùn)滑條件下,纖維切削角對(duì)單向CFRP銑削加工表面粗糙度Sa的影響。結(jié)果顯示,纖維切削角對(duì)Sa具有顯著影響。順纖維切削時(shí),Sa較小且變化不明顯;逆纖維切削時(shí),加工表面粗糙度急劇變化。θ=90°時(shí),表面粗糙度最小,表面質(zhì)量較好;θ=150°時(shí),表面粗糙度最大,加工表面質(zhì)量變差。對(duì)比逆纖維切削,順纖維切削時(shí)CFRP加工的表面粗糙度較小,表面質(zhì)量較好。干切削條件下,相較于順銑,逆銑加工的表面粗糙度Sa減小10%～35%。逆銑工藝不但有助于減小CFRP切削過(guò)程中的切削力,還有助于提高加工表面質(zhì)量,更適合CFRP高速切削。

圖6 纖維切削角對(duì)表面粗糙度的影響

試驗(yàn)還發(fā)現(xiàn),相較于干切削,MQL可以減小加工表面粗糙度,但傳統(tǒng)的澆注式冷卻在減小CFRP加工表面粗糙度、提高加工表面質(zhì)量上的效果仍優(yōu)于MQL。加入納米顆粒后,NMQL可以顯著減小CFRP加工的表面粗糙度。這是因?yàn)镸oS2納米顆粒憑借優(yōu)異的摩擦學(xué)性能,能在CFRP切削過(guò)程中起到有效的減摩和潤(rùn)滑作用,提高CFRP的切削加工性能。

2.3.2表面形貌

加工表面的微觀特征可以更加直觀地評(píng)價(jià)加工形貌和表面缺陷。圖7所示為典型纖維切削角度下的CFRP加工表面微觀形貌,可以看出,纖維切削角對(duì)單向CFRP高速銑削加工表面形貌有顯著影響。θ=0°時(shí)(圖7a),多數(shù)纖維以層狀方式去除,部分纖維從基體中剝離,形成圓弧形溝槽。加工表面可見(jiàn)少量的纖維斷裂,但整體較為平整。θ=60°時(shí),較多纖維發(fā)生橫向斷裂,加工表面呈現(xiàn)脆性斷裂的纖維斷口,沿纖維方向可見(jiàn)少量凹坑,纖維-基體界面出現(xiàn)脫粘和剝離。θ=90°時(shí),纖維斷口清晰可見(jiàn),且斷面較為平齊。由于刀尖作用下纖維斷裂的隨機(jī)性,加工表面出現(xiàn)明顯的微小毛刺和凹坑,但表面質(zhì)量總體較好。θ=150°時(shí),大量纖維發(fā)生彎曲斷裂,纖維彎折型斷口明顯,且不同纖維斷口高低起伏較大。由于大量纖維的彎折和拔出,加工表面可見(jiàn)顯著的剝離狀溝槽和凹坑,表面質(zhì)量顯著惡化。

(a)θ=0° (b)θ=60°

2.4 微量潤(rùn)滑高速銑削CFRP的切削溫度

圖8所示為不同冷卻潤(rùn)滑條件下切削速度對(duì)刀具切削刃溫度的影響,可以看出,切削溫度隨切削速度的增加而升高。這是因?yàn)榍邢魉俣仍龃?單位時(shí)間內(nèi)去除的材料增多,刀尖處的切削和摩擦抗力增大。對(duì)比干切削,澆注式、MQL和NMQL下的切削溫度明顯降低,其中,MQL可使切削溫度降低約35%,NMQL可使切削溫度降低約40%。MQL雖有助于降低切削溫度,對(duì)切削界面起到一定的冷卻效果,但冷卻效果不及澆注式。添加MoS2納米粒子后,切削溫度進(jìn)一步降低,這說(shuō)明納米粒子的添加增加了切削液的換熱能力,在一定程度上彌補(bǔ)了微量潤(rùn)滑冷卻效果的不足,可見(jiàn),NMQL在CFRP復(fù)合材料的高速切削過(guò)程中,不僅有助于改善材料的加工性能,而且有助于降低切削溫度,延長(zhǎng)刀具壽命,因此是一種具有良好應(yīng)用前景的綠色加工方式。逆銑工藝不僅可以降低CFRP高速切削時(shí)的切削力,改善加工質(zhì)量,同時(shí)切削溫度也低于順銑,所以逆銑工藝可作為CFRP復(fù)合材料切削加工的首選。

圖8 切削速度對(duì)切削溫度的影響

3 材料去除機(jī)理

3.1 切屑形貌

圖9為單向CFRP干切削條件下切屑的SEM顯微照片。對(duì)切屑形態(tài)的分析有助于揭示纖維去除方式和材料的加工過(guò)程。根據(jù)切屑微觀形貌的分析,CFRP銑削產(chǎn)生的切屑呈現(xiàn)出兩種形態(tài):短棒狀的碎斷纖維、顆粒狀的樹(shù)脂基體。切斷的纖維體積小、形狀不規(guī)則,且碎斷纖維的橫截面直徑與碳纖維的直徑一致。這證實(shí)了CFRP銑削時(shí)材料的主要去除形式是刀尖作用下的纖維徑向斷裂切除和基體破碎。這與金屬材料形成的切屑不同。

圖9 切屑的SEM顯微照片

切屑的微觀形貌與CFRP加工表面的顯微形貌相互印證,都證實(shí)了碳纖維以刀尖應(yīng)力作用下的脆性斷裂方式去除,且無(wú)論沿哪個(gè)方向切削,均是纖維徑向的切削應(yīng)力達(dá)到纖維的強(qiáng)度極限而發(fā)生的剪切或彎曲作用下的徑向破壞失效。這是導(dǎo)致切屑均為短棒狀的碎斷纖維的根本原因。

3.2 材料去除模型

圖10所示為典型纖維切削角度下的CFRP材料去除模型。θ=0°時(shí)(圖10a),由于刀尖鈍圓半徑的作用,第一變形區(qū)(紅色區(qū)域)處的纖維受到沿纖維軸向和徑向的切削力的疊加作用,易從基體中剝離;與第二變形區(qū)(綠色區(qū)域)接觸的纖維被軸向壓縮發(fā)生彎曲變形而失效;第三變形區(qū)(粉色區(qū)域)附近的纖維在后刀面的擠壓作用下先發(fā)生彎曲變形,隨后纖維回彈,回彈的纖維對(duì)刀具后刀面產(chǎn)生摩擦作用,材料在這種情況下的失效以層間剪切去除為主。

(a)0° (b)45°

θ=45°時(shí),在壓縮和彎曲載荷的作用下,第一變形區(qū)的纖維所受載荷超過(guò)其徑向強(qiáng)度而發(fā)生脆性斷裂,隨后沿前刀面滑移排出。第三變形區(qū)處的纖維在刀具的切削運(yùn)動(dòng)下被推壓到切削刃下方,界面處裂紋進(jìn)一步擴(kuò)展,而后纖維發(fā)生回彈。相較于0°的纖維切削角,此時(shí)纖維的回彈更為明顯,刀具后刀面的磨損也更為嚴(yán)重。

θ=90°時(shí),材料的去除機(jī)理與θ=45°時(shí)相似,但纖維受到的徑向剪切載荷更為集中,并最終因所受壓應(yīng)力超過(guò)纖維的徑向強(qiáng)度極限而失效。此時(shí)的纖維更易被切斷,纖維截面較為平整,纖維變形和回彈較小,表面質(zhì)量較好。

θ=135°時(shí),材料的去除形式以彎曲失效為主。在刀尖的擠壓和彎折作用下,大量纖維發(fā)生彎曲斷裂,斷裂點(diǎn)位于第一變形區(qū)下方且不可控。這是造成135°的加工表面粗糙度大的主要原因。此外,纖維斷裂前的較大變形導(dǎo)致纖維-基體界面脫粘和剝離損傷嚴(yán)重。大部分纖維的斷口處于加工表面下方,此時(shí)的纖維回彈較弱,刀具磨損明顯降低。

4 結(jié)論

(1)提出了一種針對(duì)各向異性復(fù)合材料切削性能測(cè)試的方法,通過(guò)正多邊形切削軌跡的方法可以實(shí)現(xiàn)多種切削角度、切削參數(shù)和順/逆銑方式的測(cè)試整合,有效降低了隨機(jī)誤差,提高了測(cè)試精度和效率。

(2)PCD玉米銑刀的切削速度超過(guò)200 m/min時(shí),法向和切向的切削力均有所減小。相較于順銑,逆銑工藝下的切削力、表面質(zhì)量、切削溫度均有所改善,可見(jiàn),對(duì)于CFRP的切削加工,逆銑工藝較適合。

(3)對(duì)單向CFRP沿典型纖維切削角進(jìn)行高速側(cè)銑試驗(yàn),發(fā)現(xiàn)纖維切削角對(duì)CFRP的切削力和表面質(zhì)量具有顯著影響。試驗(yàn)結(jié)果顯示,法向切削力大于切向切削力,由大到小的切削力對(duì)應(yīng)的切削角依次為60°、90°、30°、0°、150°、120°。順纖維切削時(shí)的表面粗糙度較小,逆纖維切削時(shí)的表面質(zhì)量急劇惡化。順/逆銑加工均顯示纖維切削角90°的表面粗糙度最小。

(4)冷卻潤(rùn)滑條件對(duì)CFRP高速銑削的切削力、表面粗糙度、切削溫度具有重要影響。納米流體微量潤(rùn)滑切削在改善CFRP切削加工性能,降低切削溫度方面顯示出優(yōu)異的效果,具有良好的應(yīng)用前景。